vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-1025Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕRESEARCH ARTICLEМолекулярное моделирование HR2- и трансмембранного доменов префузионного S-белка вируса SARS-CoV-2Molecular modeling of HR2 and transmembrane domains of the SARS-CoV-2 S-protein in the prefusion statehttps://orcid.org/0000-0003-1647-1627БоздаганянМ. Е.BozdaganyanM. E.

Боздаганян Маринэ Евгеньевна – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. кафедры биоинженерии, биологический факультет

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

Тел.: 8-495-939-57-38

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234; Kosygina 4, Moscow, 119991

bozdaganyan@mail.bio.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4078-4762ОреховФ. С.OrekhovP. S.

Орехов Филипп Сергеевич – канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры биоинженерии, биологический факультет

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; 119435, г. Москва, Большая Пироговская ул., д. 2, стр. 4 

Тел.: 8-495-939-57-38

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234; Bolshaya Pirogovskaya 2–4, 119435 Moscow

orekhov@mail.bio.msu.ruЛитвиновД. С.LitvinovD. S.

Литвинов Даниил Сергеевич – студент биологического факультета МГУ (магистерская программа «Структурная биология»).

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-57-38

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234

daniillitvinov997@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4090-4859НовоселецкийВ. Н.NovoseletskyV. N.

Новоселецкий Валерий Николаевич – канд. физ-мат. наук, доц. кафедры биоинженерии, биологический факультет

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-57-38

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234

novoseletsky@mail.bio.msu.ruМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Федеральный исследовательский центр химической физики имени Н.Н. Семенова, Российская академия наукРоссияLomonosov Moscow State University; N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт персонализированной медицины, Сеченовский университетРоссияLomonosov Moscow State University; Institute of Personalized Medicine, Sechenov UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation202103082021763155162Copyright © Боздаганян М.Е., Орехов Ф.С., Литвинов Д.С., Новоселецкий В.Н., 20212021Боздаганян М.Е., Орехов Ф.С., Литвинов Д.С., Новоселецкий В.Н.Bozdaganyan M.E., Orekhov P.S., Litvinov D.S., Novoseletsky V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/1025

Вирус SARS-CoV-2, вызывающий короновирусную инфекцию COVID-19, остается в фокусе исследований по всему миру. Проникновение этого вируса в клетку начинается со связывания его S-белка с ангиотензин-превращающим ферментом 2, экспрессированным на клеточной поверхности. Изучение проистранственной структуры S-белка необходимо для понимания молекулярных аспектов его функционирования. В настоящее время экспериментальными методами хорошо изучено строение почти всей молекулы S-белка, за исключением его эндодомена, трансмембранного домена и прилегающих к нему остатков эктодомена. В работе выполнено молекулярное моделирование структуры фрагмента S-белка, соответствующего его суперспиральному HR2-домену и полностью пальмитоилированному трансмембранному домену. Стабильность модели подтверждена расчетами молекулярной динамики в полноатомном и крупнозернистом представлении в липидном бислое. Показано, что пальмитоилирование приводит к существенному снижению подвижности трансмембранного домена и локальному утолщению бислоя. Это может иметь значение для процесса тримеризации белка.

The SARS-CoV-2 virus causes the coronavirus infection COVID-19 and remains in the focus of the researchers around the world. The penetration of the SARS-CoV-2 virus into the cell begins with the binding of its S-protein to the angiotensin-converting enzyme-2 (ACE2) expressed on the cell surface. The study of the spatial structure of the S-protein is necessary for the understanding of the molecular aspects of its functioning. At present, the structure of almost the entire S-protein molecule has been well studied by experimental methods, with the exception of its endodomain, transmembrane domain, and adjacent ectodomain residues. We performed molecular modeling of the structure of the S-protein fragment corresponding to its supercoiled HR2 domain and fully palmitoylated transmembrane domain. The stability of the model in the lipid bilayer is confirmed by means of molecular dynamics simulations in full-atomic and coarse-grained representation. It was shown that palmitoylation leads to a significant decrease in the mobility of the transmembrane domain and local thickening of the bilayer, which may be important for the process of protein trimerization.

молекулярное моделированиеSARS-CoV-2S-белоклипидный бислойпальмитоилированиетримерная супер-спиральmolecular modelingSARS-CoV-2S-proteinlipid bilayerpalmitoylationtrimeric coiled coilРабота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-04-60258).ReferencesLetko M., Marzi A., Munster V. Functional assessment of cell entry and receptor usage for SARS-CoV-2 and other lineage B betacoronaviruses // Nat. Microbiol. 2020. Vol. 5. N 4. P. 562–569.Letko M., Marzi A., Munster V. Functional assessment of cell entry and receptor usage for SARS-CoV-2 and other lineage B betacoronaviruses // Nat. Microbiol. 2020. Vol. 5. N 4. P. 562–569.Walls A.C., Park Y.J., Tortorici M.A., Wall A., McGuire A.T. Veesler D. Structure, function, and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein // Cell. 2020. Vol. 181. N 2. P. 281–292.e6.Walls A.C., Park Y.J., Tortorici M.A., Wall A., McGuire A.T. Veesler D. Structure, function, and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein // Cell. 2020. Vol. 181. N 2. P. 281–292.e6.Turoňová B., Sikora M., Schürmann C., et al. In situ structural analysis of SARS-CoV-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges // Science. 2020. Vol. 370. N 6513. P. 203–208.Turoňová B., Sikora M., Schürmann C., et al. In situ structural analysis of SARS-CoV-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges // Science. 2020. Vol. 370. N 6513. P. 203–208.Webb B., Sali A. Protein structure modeling with MODELLER // Structural Genomics. Methods in Molecular Biology, vol 2199 / Eds. Y.W. Chen and CP.B. Yiu. N.Y.: Humana, P. 239–255.Webb B., Sali A. Protein structure modeling with MODELLER // Structural Genomics. Methods in Molecular Biology, vol 2199 / Eds. Y.W. Chen and CP.B. Yiu. N.Y.: Humana, P. 239–255.Hakansson-McReynolds S., Jiang S., Rong L., Caffrey M. Solution structure of the severe acute respiratory syndrome-coronavirus heptad repeat 2 domain in the prefusion state // J. Biol. Chem. 2006. Vol. 281. N 17. P. 11965–11971.Hakansson-McReynolds S., Jiang S., Rong L., Caffrey M. Solution structure of the severe acute respiratory syndrome-coronavirus heptad repeat 2 domain in the prefusion state // J. Biol. Chem. 2006. Vol. 281. N 17. P. 11965–11971.Fu Q., Shaik M.M., Cai Y., Ghantous F., Piai A., Peng H., Rits-Volloch S., Liu Z., Harrision S.C., Seaman M.S., Chen B., Chou J.J. Structure of the membrane proximal external region of HIV-1 envelope glycoprotein // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018. Vol. 115. N 38. P. E8892–E8899.Fu Q., Shaik M.M., Cai Y., Ghantous F., Piai A., Peng H., Rits-Volloch S., Liu Z., Harrision S.C., Seaman M.S., Chen B., Chou J.J. Structure of the membrane proximal external region of HIV-1 envelope glycoprotein // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2018. Vol. 115. N 38. P. E8892–E8899.Jo S., Kim T., Iyer V.G., Im W. CHARMMGUI: a web-based graphical user interface for CHARMM // J. Comput. Chem. 2008. Vol. 29. N 11. P. 1859–1865.Jo S., Kim T., Iyer V.G., Im W. CHARMMGUI: a web-based graphical user interface for CHARMM // J. Comput. Chem. 2008. Vol. 29. N 11. P. 1859–1865.Woo H., Park S.J., Choi Y.K., Park T., Tanveer M., Cao Y., Kern N.R., Lee J., Yeom M.S., Croll T.I., Seok C., Im W. Developing a fully glycosylated full-length SARS-CoV-2 spike protein model in a viral membrane // J. Phys. Chem. B. 2020. Vol. 124. N 33. P. 7128–7137.Woo H., Park S.J., Choi Y.K., Park T., Tanveer M., Cao Y., Kern N.R., Lee J., Yeom M.S., Croll T.I., Seok C., Im W. Developing a fully glycosylated full-length SARS-CoV-2 spike protein model in a viral membrane // J. Phys. Chem. B. 2020. Vol. 124. N 33. P. 7128–7137.Abraham M.J., Murtola T., Schultz R., Pall S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers // SoftwareX. 2015. Vol. 1–2. P. 19–25.Abraham M.J., Murtola T., Schultz R., Pall S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers // SoftwareX. 2015. Vol. 1–2. P. 19–25.Huang J., Rauscher S., Nawrocki G., Ran T., Feig M., de Groot B., Grubmüller H., MacKerell A.J. CHARMM36m: an improved force field for folded and intrinsically disordered proteins // Nat. Methods. 2017. Vol. 14. N 1. P. 71–73.Huang J., Rauscher S., Nawrocki G., Ran T., Feig M., de Groot B., Grubmüller H., MacKerell A.J. CHARMM36m: an improved force field for folded and intrinsically disordered proteins // Nat. Methods. 2017. Vol. 14. N 1. P. 71–73.de Jong D.H., Singh G., Benett W.F.D., Arnarez C., Wassenaar T.A., Schäfer† L.V., Periole X., Tieleman D.P., Marrink S.J. Improved parameters for the Martini coarsegrained protein force field // J. Chem. Theory Comput. 2013. Vol. 9. N 1. P. 687–697.de Jong D.H., Singh G., Benett W.F.D., Arnarez C., Wassenaar T.A., Schäfer† L.V., Periole X., Tieleman D.P., Marrink S.J. Improved parameters for the Martini coarsegrained protein force field // J. Chem. Theory Comput. 2013. Vol. 9. N 1. P. 687–697.Atsmon-Raz Y., Tieleman D.P. Parameterization of palmitoylated cysteine, farnesylated cysteine, geranylgeranylated cysteine, and myristoylated glycine for the Martini force field // J. Phys. Chem. B. 2017. Vol. 121. N 49. P. 11132–11143.Atsmon-Raz Y., Tieleman D.P. Parameterization of palmitoylated cysteine, farnesylated cysteine, geranylgeranylated cysteine, and myristoylated glycine for the Martini force field // J. Phys. Chem. B. 2017. Vol. 121. N 49. P. 11132–11143.de Jong D.H., Baoukina S., Ingolfsson H.I., Marrink S.J. Martini straight: Boosting performance using a shorter cutoff and GPUs // Comput. Phys. Commun. 2016. Vol. 199. P. 1–7.de Jong D.H., Baoukina S., Ingolfsson H.I., Marrink S.J. Martini straight: Boosting performance using a shorter cutoff and GPUs // Comput. Phys. Commun. 2016. Vol. 199. P. 1–7.Gapsys V., de Groot B.L., Briones R. Computational analysis of local membrane properties // J. Comput. Aided Mol. Des. 2013. Vol. 27. N 10. P. 845–858.Gapsys V., de Groot B.L., Briones R. Computational analysis of local membrane properties // J. Comput. Aided Mol. Des. 2013. Vol. 27. N 10. P. 845–858.Dev J., Park D., Fu Q., Chen J., Ha H.J., Ghantous F., Herrmann T., Chang W., Liu Z., Frey G., Seaman M.S., Chen B., Chou J.J. Structural basis for membrane anchoring of HIV-1 envelope spike // Science. 2016. Vol. 353. N 6295. P. 172–175.Dev J., Park D., Fu Q., Chen J., Ha H.J., Ghantous F., Herrmann T., Chang W., Liu Z., Frey G., Seaman M.S., Chen B., Chou J.J. Structural basis for membrane anchoring of HIV-1 envelope spike // Science. 2016. Vol. 353. N 6295. P. 172–175.Chiliveri S.C., Louis J.M., Ghirlando R., Baber J.L., Bax A. Tilted, uninterrupted, monomeric HIV-1 gp41 transmembrane helix from residual dipolar couplings // J. Am. Chem. Soc. 2018. Vol. 140. N 1. P. 34–37.Chiliveri S.C., Louis J.M., Ghirlando R., Baber J.L., Bax A. Tilted, uninterrupted, monomeric HIV-1 gp41 transmembrane helix from residual dipolar couplings // J. Am. Chem. Soc. 2018. Vol. 140. N 1. P. 34–37.Mahajan M., Bhattacharjya S. Solution structure of pre transmembrane domain. Worldwide Protein Data Bank, 2014. DOI: 10.2210/pdb2RUN/pdb.Mahajan M., Bhattacharjya S. Solution structure of pre transmembrane domain. Worldwide Protein Data Bank, 2014. DOI: 10.2210/pdb2RUN/pdb.Veit M. Palmitoylation of virus proteins // Biol. Cell. 2012. Vol. 104. N 9. P. 493–515.Veit M. Palmitoylation of virus proteins // Biol. Cell. 2012. Vol. 104. N 9. P. 493–515.Petit C.M., Chouljenko V.N., Iyer A., Colgrove R., Farzan M., Knipe D.M., Kousoulas K.G. Palmitoylation of the cysteine-rich endodomain of the SARS-coronavirus spike glycoprotein is important for spike-mediated cell fusion // Virology. 2007. Vol. 360. N 2. P. 264–274.Petit C.M., Chouljenko V.N., Iyer A., Colgrove R., Farzan M., Knipe D.M., Kousoulas K.G. Palmitoylation of the cysteine-rich endodomain of the SARS-coronavirus spike glycoprotein is important for spike-mediated cell fusion // Virology. 2007. Vol. 360. N 2. P. 264–274.Best R.B., Zhu X., Shim J., Lopes P.E.M., Mittal J., Feig M., MacKerell A.D. Optimization of the additive CHARMM all-atom protein force field targeting improved sampling of the backbone φ, ψ and side-chain χ(1) and χ(2) dihedral angles // J. Chem. Theory Comput. 2012. Vol. 8. N 9. P. 3257–3273.Best R.B., Zhu X., Shim J., Lopes P.E.M., Mittal J., Feig M., MacKerell A.D. Optimization of the additive CHARMM all-atom protein force field targeting improved sampling of the backbone φ, ψ and side-chain χ(1) and χ(2) dihedral angles // J. Chem. Theory Comput. 2012. Vol. 8. N 9. P. 3257–3273.Krogh A., Larsson B., von Heijine G., Sonnhammer E.L.L. Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes // J. Mol. Biol. 2001. Vol. 305. N 3. P. 567–580.Krogh A., Larsson B., von Heijine G., Sonnhammer E.L.L. Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes // J. Mol. Biol. 2001. Vol. 305. N 3. P. 567–580.Serebryakova M.V., Kordyukova L.V., Baratova L.A., Markushin S.G. Mass spectrometric sequencing and acylation character analysis of C-terminal anchoring segment from Influenza A hemagglutinin // Eur. J. Mass Spectrom. 2006. Vol. 12. N 1. P. 51–62.Serebryakova M.V., Kordyukova L.V., Baratova L.A., Markushin S.G. Mass spectrometric sequencing and acylation character analysis of C-terminal anchoring segment from Influenza A hemagglutinin // Eur. J. Mass Spectrom. 2006. Vol. 12. N 1. P. 51–62.Fu Q., Chou J.J. A trimeric hydrophobic zipper mediates the intramembrane assembly of SARS-CoV-2 spike // bioRxiv. 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c02394.Fu Q., Chou J.J. A trimeric hydrophobic zipper mediates the intramembrane assembly of SARS-CoV-2 spike // bioRxiv. 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c02394.Thorp E.B., Boscarino J.A., Logan H.L., Goletz J.T., Gallagher T.M. Palmitoylations on murine coronavirus spike proteins are essential for virion assembly and infectivity // J. Virol. 2006. Vol. 80. N 3. P. 1280–1289.Thorp E.B., Boscarino J.A., Logan H.L., Goletz J.T., Gallagher T.M. Palmitoylations on murine coronavirus spike proteins are essential for virion assembly and infectivity // J. Virol. 2006. Vol. 80. N 3. P. 1280–1289.Charollais J., Van Der Goot F.G. Palmitoylation of membrane proteins (Review) // Mol. Membr. Biol. 2009. Vol. 26. N 1. P. 55–66.Charollais J., Van Der Goot F.G. Palmitoylation of membrane proteins (Review) // Mol. Membr. Biol. 2009. Vol. 26. N 1. P. 55–66.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.